秒懂HTTPS接口（原理篇）

2018年12月03日 10:08:33 zuozewei 阅读数：441更多

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前言

讲HTTPS之前，我们先来回顾一下HTTP协议。HTTP是一种超文本传输协议，它是无状态的、简单快速的、基于 TCP 的可靠传输协议。

既然 HTTP 协议这么好，那为什么又冒出来了一个 HTTPS 呢？HTTP本身不具备加密的功能，所以也就无法做到对通信整体内容进行加密，
也就是说HTTP是明文传输的，这就造成了很大的安全隐患。在网络传输过程中，只要数据包被人劫持，那你就相当于赤身全裸的暴露在他人面前，毫无半点隐私可言。想象一下，如果你连了一个不可信的WIFI，正好有使用了某个支付软件进行了支付操作，那么你的密码可能就到别人手里去了，后果可想而知。
在这里插入图片描述
网络环境的就是这样，给你带来便利的同时，也到处充满了挑战与风险。对于小白用户，你不能期望他有多高的网络安全意识，产品应该通过技术手段，让自己变得更安全，从源头来控制风险。这就诞生了HTTPS协议。

HTTPS简介

因为HTTP是明文传输，所以造成了安全隐患。如何让数据传输以加密的方式进行，就消除了该隐患。而SSL/TSL提供认证和加密处理及摘要功能。
为了统一解决上述的问题，需要在HTTP上加密处理和认证等机制。我们把添加了加密和认证机制的HTTP称为HTTPS。
在这里插入图片描述
HTTPS并非是应用层的一种新协议，只是通信接口部分用SSL/TLS协议代替而已。
所谓的HTTPS，简单理解就是身披SSL/TLS协议壳的HTTP。

从网络的七层模型来看，原先的四层 TCP 到七层 HTTP 之间是明文传输，在这之间加一个负责数据加解密的传输层（SSL/TLS），保证在网络传输的过程中数据是加密的，而HTTP接收到的依然是明文数据，不会有任何影响。

SSL是Netscape开发的专门用户保护Web通讯的，目前版本为3.0。最新版本的TLS 1.0是IETF(工程任务组)制定的一种新的协议，它建立在SSL 3.0协议规范之上，是SSL 3.0的后续版本。两者差别极小，可以理解为SSL 3.1，它是写入了RFC的。

HTTPS实现原理

大致原理

通过上面的介绍，对HTTPS有了大致的了解。可本质问题还没说，HTTPS是如何实现数据的加密传输？

首先，先来了解下加密算法的方式，常用的有两种：对称加密与非对称加密。

对称加密：即通信双方通过相同的密钥进行信息的加解密。加解密速度快，但是安全性较差，如果其中一方泄露了密钥，那加密过程就会被人破解。
非对称加密：相比对称加密，它一般有公钥和私钥。公钥负责信息加密，私钥负责信息解密。两把密钥分别由发送双发各自保管，加解密过程需两把密钥共同完成。安全性更高，但同时计算量也比对称加密要大很多。

技术细节

对于网络通信过程，在安全的前提下，还是需要保证响应速度。如何每次都进行非对称计算，通信过程势必会受影响。所以，人们希望的安全传输，最终肯定是以对称加密的方式进行。如图：
在这里插入图片描述

首先 Session Key是如何得到的，并且在 Session Key之前的传输都是明文的。Session Key通过网络传输肯定不安全，所以它一定各自加密生成的。因此在这之前，双方还要互通，确认加密的算法，并且各自添加随机数，提高安全性。如图：
在这里插入图片描述
这样双方确认了使用的 SSL/TLS 版本，以及生成 Session Key的加密算法。并且双方拥有了2个随机数（客户端、服务端各自生成一个）。可是如果按照目前的随机参数，加上加密算法生成Session Key呢，还是存在风险，加密算法是有限固定的，而且随机数都是明文传输的，有被截获的可能。

让加密算法变得不可预测，可能性不大。那么能否再传输一个加密的随机数，这个随机数就算被截获，也无法破译。这就用到了非对称加密算法，我们在步骤二中，把公钥传输给客户端。这样客户端的第三个随机数用公钥加密，只有拥有私钥的服务端才能破译第三个参数，这样生成的 Session 就是安全的了。如图：
在这里插入图片描述

看似完成了，现在生成的 Session Key 是不可预测的（就算被截获也无所谓），我们可以放心的进行私密通信了。真的是这样吗？我们似乎对服务端给的公钥十分信任，如果你目前通信的本身就不可信，或者被中间人劫持，由它发送伪造的公钥给你，那后果可想而知，这就是传说中的“中间人攻击”。

所以，我们得包装一下公钥，让它变得安全。这就引出了数字证书的概念，数字证书由受信任的证书机构颁发，证书包含证书文件与证书私钥文件。私钥文件由服务端自己保存，证书文件发送给请求的客户端，文件包含了域名信息、公钥以及相应的校验码。客户可以根据得到的证书文件，校验证书是否可信。如图：
在这里插入图片描述

通俗的表示整个流程如图：
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证书示例：
在这里插入图片描述
Extended Validation（EV）：该级别的证书具有最高的安全性，也是最值得信任的。它除了给出更详细的公司/组织信息外，还在浏览器的地址栏上直接给出了公司名称。
示例：https://www.github.com

小故事

如果上面的技术细节没怎么看太懂？来，我们来讲个故事。
我们在网络的行为（例如看浏览、上传图片、聊天），简单来说都是向服务器发送消息、接收服务器的消息，这个过程很像信鸽传书。
为了更加形象，我们把通信过程中的主要角色服务器、客户端、黑客的称呼也替换一下，小服、小客、小黑。
如小客想给小服发送信息，那么她就把信绑在信鸽腿上，放出信鸽，小服接到信鸽，拿到信纸读消息，这个过程就完成了，很不错，简单方便。
但是，坏人小黑出现了，他把正在愉快飞翔的信鸽抓了下来，并把信给换了，这就麻烦了，小服得到了假消息。
这就是 HTTP 的沟通方式，方便但极不安全，不能传递重要信息。

但是小服和小客很聪明，想到了一个好办法，他们设定了一套编码规则：把字母偏移3个位置，例如，D → A、E → B、F → C，这样，原本的消息“secret message” 就变成了 “pbzobq jbppxdb”。
小黑截获到消息后就会一脸懵逼，看不懂改不了，但是小服知道解码规则，可以轻松转化成原文。
这个方式就是“对称式加密”。

对称式加密很安全，只要保护好key，别让其他人知道即可，但也有个问题，如果小服和小客在通信之前不认识，他们就没办法设定加密规则。
为了解决这个问题，通信方式又一次升级了，比如小客向给小服发送信息，他们的通信流程如下：

小客让信鸽飞到小服那儿，但啥也没带，没有信息。
小服让信鸽带着一个箱子和一把开着的锁飞回到小客，小服自己留着锁的钥匙。小服让信鸽带着一个箱子和一把开着的锁飞回到小客，小服自己留着锁的钥匙。
小客把信放到箱子里，并用锁把箱子锁上，让信鸽把箱子带给小服。小客把信放到箱子里，并用锁把箱子锁上，让信鸽把箱子带给小服。
小服收到箱子，用钥匙开锁，拿到信
这样小黑就没招儿了，小服和小客可以愉快的通信了。这样小黑就没招儿了，小服和小客可以愉快的通信了。

这个方式就是“非对称加密”，这个箱子就是公钥，开锁的钥匙就是私钥。

细想一下，有个问题，小客怎么确认箱子来自小服而不是小黑呢？为此，小服决定给箱子签个名，小客收到后先检查一下签名就可以确认了。
但这样还不够稳妥，小服决定让最权威的小明来签名，小明是干啥的？他非常有名望，是个绝对值得信赖的家伙，他的签名大家都认，小明就是大名鼎鼎的 CA（Certification Authority）。
小服与小明建立了合作，小明收到小服的请求就会为她签名，而小黑是得不到小明给小客的签名的，这样小服就可以放心了。
这就是HTTPS的通信通俗原理了，是不是很好理解。

我们可以看到 HTTPS 比 HTTP的流程重了很多，有个箱子，还有签名，还增加了往返过程，性能肯定有所影响，这一切都是为了安全，所以我们要根据自己的需求场景来选择什么时候使用 HTTPS，什么时候使用 HTTP。

参考文献：
[1]上野宣,于均良译.图解HTTP.北京:人民邮电出版社,2014.
[2]https://github.com/jasonGeng88/blog/blob/master/201705/https.md

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